一种利用表面活性剂介导调控叶绿素聚集行为以提升水体系中叶绿素热稳定性的新策略

《Food Research International》：A novel surfactant-mediated strategy for modulating chlorophyll aggregation behavior to improve chlorophyll thermal stability in aqueous systems

　　**摘要**- 表面活性剂可调控叶绿素的聚集状态，并提高其热稳定性。- 吐温体系中会形成尺寸范围为100至150 nm的随机叶绿素聚集体。- 在吐温胶束中，经热处理后叶绿素保留率超过90%。- 吐温80能减缓叶绿素向不良棕色化合物的转化。- 胶束形成和非共价相互作用共同贡献于热稳定性。## 引言叶绿素是一类关键的photosynthetic色素，大量分布在绿色植物和藻类的类囊体膜中，据估计每年全球生物合成量约为12亿吨（Cai et al., 2021; Lee et al., 2021）。叶绿素及其衍生物表现出多种生物活性，包括抗氧化、抗炎、抗菌和促造血作用（Ding et al., 2019; Joe et al., 2023; Perez-Galvez et al., 2020; Suvorov et al., 2021）。然而，叶绿素本身不稳定，在热、光、pH变化及氧气暴露等环境胁迫下极易降解，导致不可逆的结构转变和色泽劣变（Wang et al., 2023）。尤其是，食品加工中必不可少的热处理如灭菌工艺，会促进叶绿素向脱镁叶绿素转化，引起由绿色向黄绿色的色变，而长时间加热则进一步产生棕色的焦脱镁叶绿素（Zhong et al., 2021）。尽管叶绿素在乙醇等高浓度有机溶剂中相对稳定（Yang et al., 2025），但这也限制了其在水性食品体系中的应用。因此，提高叶绿素在水性环境中的热稳定性仍是一项亟待解决的重要挑战。已有多种策略被提出用于改善叶绿素稳定性，包括皂化（去除疏水性植基尾链）以及将中心镁离子替换为铜或锌等金属离子的金属化修饰（Kang et al., 2018; Suresh et al., 2022）。然而，消费者对合成添加剂的担忧限制了其在食品体系中的实际应用。近期研究表明，叶绿素可在不同溶剂极性的乙醇溶液中通过π-π堆积相互作用发生自聚集，形成单体、有序聚集体和无序聚集体，它们具有不同的光谱特征和稳定性表现（Wang et al., 2026; Yang et al., 2025; Yasuda et al., 2019）。表面活性剂辅助稳定也显示出对叶绿素的良好保护效果。例如，非离子表面活性剂如Genapol X-080显著提高了叶绿素的提取回收率（Sun et al., 2014），基于胶束的递送体系也被报道可增强叶绿素的光动力活性（Gerola et al., 2019）。Hao等（2025）进一步证明，在吐温80存在下，木瓜蛋白酶辅助水解Auxenochlorella pyrenoidosa蛋白可显著提高叶绿素的热稳定性。类似地，Cremophor EL也被报道可增强溶液中叶绿素的光稳定性（Janik-Zabrotowicz et al., 2019; Janik-Zabrotowicz et al., 2020）。然而，不同微环境中形成的叶绿素聚集状态如何影响热稳定化行为，特别是在以水相为主的体系中，目前仍缺乏充分的认识。亲水-亲油平衡值（HLB值）是描述表面活性剂两亲特性的一个重要参数，决定了其与叶绿素等亲脂性分子的相互作用，从而影响聚集行为与稳定性（Yasuda & Tabata, 2021）。然而，表面活性剂对叶绿素聚集的影响受多种物理化学因素控制，包括分子结构、界面行为和自组装特性，而不仅仅是HLB值。因此，本研究旨在探讨覆盖不同HLB范围及物理化学特征的代表性表面活性剂如何调控不同溶剂环境中叶绿素的聚集行为和热稳定性，并结合分子动力学模拟与液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）阐明其稳定化机制。本研究为叶绿素的聚集-稳定性关系提供了机制性见解，并提出了一种提高其热稳定性的有效策略，有望应用于食品体系。## 章节摘要### 材料与化学品Auxenochlorella pyrenoidosa（A. pyrenoidosa）的培育方法参照Song等（2018）所述并经适当修改。纯度高于99.8%的二氧六环购自Sigma（美国圣路易斯）。高HLB表面活性剂（纯度高于96.0%的吐温20，HLB值16.9；含油酸约70%的吐温80，HLB值16.0）（Ullah et al., 2019; Weiss & McClements, 2000）购自国药试剂（中国青岛）。纯度高于98.0%的中等HLB表面活性剂（Triton X-100，HLB值——### 不同溶剂环境中叶绿素聚集体的组装考虑到叶绿素通常以天然提取物形式被引入食品体系中，这些提取物主要由叶绿素a和叶绿素b组成（Cao et al., 2021），且此前对叶绿素分子体系的研究也依赖于天然提取的混合物（Palm et al., 2018），本研究使用的叶绿素从A. pyrenoidosa中提取，并参照已报道的方法进行纯化（Iriyama et al., 1974; Palm et al., 2018）。基于定量结果——### 结论本研究证明了通过调控聚集状态可显著提高叶绿素在水性体系中的热稳定性。与卵磷脂体系中的有序叶绿素聚集体相比，吐温80体系中随机排列的叶绿素聚集体表现出显著更高的热稳定性，棕色的叶绿素降解衍生物（如脱镁叶绿素a）的生成量明显减少。当表面活性剂浓度低于临界胶束浓度（CMC）时，叶绿素倾向于组装——### CRediT作者贡献声明**Zihao Zhu（朱子豪）**：撰写——初稿、软件、方法学、调查研究、数据整理。**Yiyi Zhang（张一一）**：撰写——初稿、方法学、数据整理。**Bijun Hao（郝碧君）**：软件、形式分析。**Yaoguang Chang（常尧光）**：撰写——审稿与编辑。**Yanchao Wang（王彦超）**：撰写——审稿与编辑、监督指导、方法学、资金获取、概念构思。**Changhu Xue（薛昌虎）**：撰写——审稿与编辑、资源提供。### 利益冲突声明作者声明，不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本研究受**国家自然科学基金**（项目编号：32272262）和**泰山学者计划**（项目编号：tsqn202408066）资助。我们感谢中国海洋大学食品科学与工程学院对本研究的支持。---Zihao Zhu | Yiyi Zhang | Bijun Hao | Yaoguang Chang | Yanchao Wang | Changhu Xue